Реферат

«Методы и способы усиления металлоконструкций зданий при реконструкции» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание 

  Введение………………………………………………………….……………3

  1. Методы усиления металлоконструкций…………………………………..5

      Усиление сжатых стоек…………………………………………………....6

      Усиление балок…………………………………………………………….8

       Усиление колонн…………………………………………………...……..11

      Усиление ферм…………………………………………………………....13

      Усиление соединений………………………………………………….....15

  2. Расчет усиливаемых металлических элементов…………………….…..16

   Список используемой литературы………………………………………....21   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

       Реконструкция зданий и сооружений – это их переустройство с целью частичного или полного изменения функционального  назначения, установки нового эффективного оборудования, улучшения застройки территорий, приведения в соответствии с современными возросшими нормативными требованиями.

       Она является  частью общей реконструкции  производственных предприятий или  городского района, жилого массива, комплекса социально-бытовых, культурных учреждений.

       Реконструкция зданий и сооружений осуществляется и при проведении технического перевооружения предприятий, однако в этом случае расходы  на строительно-монтажные работы не должны превышать 10% общих капиталовложений.

       Переустройство  включает перепланировку и увеличение высоты помещений, усиление, частичную  разборку и замену конструкций, а  также надстройку, пристройку и улучшение  фасадов зданий.

       Немаловажную  роль реконструкция будет играть и в улучшение архитектурного облика наших городов, придания им индивидуальность,

       Реконструкция должна носить комплексный характер, учитывать длительную перспективу  развития города, района, предприятий. Некомплектность подхода, удовлетворения  только интересам сегодняшнего дня,  отсутствие перспективного плана могут привести через определенное время к невозможности осуществления последующей реконструкции без сноса сложившийся после проведения реконструкции застройки.

       Как правило, реконструкция жилых, гражданских  и производственных зданий провидится в условиях повышенной стесненности, что не позволяет использовать оптимальные комплекты строительных механизмов и машин, организовывать места складирования для создания нормативных запасов материалов и изделий. Сама доставка конструкции (особенно крупногабаритных) может быть чрезвычайно затруднена сложившимися габаритами проездов.

       Серьезные трудности часто возникают при  определении места рациональной установки грузоподъемных механизмов в монтажной зоне, а в некоторых  случаях при разработке возможным воспользоваться кранами и необходим переход на менее индустриальные конструктивные решения. Для указанных ситуаций разработан и успешно реализовывается целый ряд предложений, основанных на использовании конструкций как из традиционных строительных, так из новых легких высокопрочных материалов.

       Реконструкция связана с восстановлением эксплуатационных показателей и усилением несущих  элементов зданий и сооружений. Эти  работы требуют индивидуальных подходов, отличных от подходов к конструктивным решениям при новом строительстве.

        Усиление  строительных конструкций во время  реконструкции бывает временным - на период выполнения работ по реконструкции, и постоянным - на весь рассчитываемый эксплуатационный период после завершения работ по реконструкции. Усиление строительных конструкций и мероприятия для их проведения во время выполнения работ предусматриваются при составление проекта производства работ. 
Это связано с тем, что безопасность и технология производства СМР требуют, чтобы были обеспечены - жесткость, устойчивость и прочность в целом каркаса всего здания и конструкций, сохраняемые после того, как демонтированы элементы здания, подлежащие замене.

         Серьезные трудности возникают в процессе реконструкции производственных зданий в связи с необходимостью обеспечения минимума остановки работы предприятий. Потеря вследствие уменьшения выпуска продукции сопоставимы, а в некоторых случаях существенно превышают объемы капитальных вложений на строительно-монтажные работы по реконструкции или техническому перевооружению. Поэтому необходимо применение специальных методов усиления, разборки, монтажа конструкций, исключающих полностью или сводящих к минимуму остановку работы предприятий.

       Научно-исследовательскими институтами и вузами, проектными строительно-монтажными и ремонтно-строительными организациями страны накопления значительный опыт в осуществлении реконструкции зданий и сооружений. В последние года выпущено большое количество инструктивных и рекомендательных документов, монографии. 

1. Методы усиления металлических конструкций

      При недостаточной несущей способности  отдельных элементов, конструкций  или зданий и сооружений производится их усиление, при этом, так же как  и при конструкциях из других материалов, необходимо предусмотреть минимальные  потери из-за остановок технологического цикла.

  Элементы сварных конструкций, испытывающие растяжение, сжатие или изгиб, могут быть усилены увеличением сечений путем приварки новых дополнительных деталей. Несущая способность элемента при этом возрастает с увеличением его сечения или жесткости. Однако нагрев элемента в процессе сварки может снижать его несущую способность. Степень снижения зависит от режима сварки, толщины и ширины элемента, направления сварки. Для продольных швов снижение прочности не превышает 15%, для поперечных может достигать 40 %. Поэтому наложение швов поперек элемента при его усилении под нагрузкой категорически запрещается.

      В связи с некоторой потерей  прочности элементов при сварке, а также перераспределением напряжений как по сечению элемента, так и между элементами усиление под нагрузкой производят при напряжениях, не превышающих 0,8 R_у ,где R_у — расчетное сопротивление для стали, из которой изготовлен элемент.

Классификация методов усиления металлоконструкций

Усиление  сжатых стоек

      Эффективным средством усиления сжатых стальных стержней является применение предварительно напряженных телескопических труб и элементов из других жестких  профилей.

     Сущность  способа (рис. 1) заключается в том, что разгружающая предварительно напряженная стойка состоит из двух труб требуемого диаметра, причем внутренняя труба сжата, а наружная растянута. Достигается это следующим образом: наружную трубу устанавливают в горизонтальное положение, с одного торца трубы приваривают фланец с центральным отверстием диаметром 30...40 мм, с другого торца на расстоянии 2...3 м строго по оси наружной трубы устанавливают внутреннюю трубу чуть меньшего диаметра, чтобы она могла с небольшим зазором входить в наружную. Затем газовыми горелками производят нагрев наружной трубы до расчетного удлинения, вводят в нее внутреннюю трубу и обваривают по всему периметру свободного торца. Сокращаясь при остывании, наружная труба обжимает  внутреннюю. В таком виде предварительно напряженный элемент устанавливают рядом с усиливаемой стойкой и плотно подклинивают под разгружаемую конструкцию. Затем двумя газовыми горелками наружную трубу разрезают в нижней части по окружности, освобождая таким образом усилие предварительного напряжения во внутренней трубе. Удлиняясь, она разгружает рядом стоящую стойку. После этого наружная труба в сечении разрезки заваривается и в состоянии воспринять часть добавочной нагрузки на колонну (стойку) после усиления. Этот способ может применяться также при усилении внецентренно сжатых элементов. 

     Эффективным способом увеличения жесткости  каркасов промышленных зданий является устройство предварительно напряженных тяжей и оттяжек. Однако оттяжки требуют массивных анкерных устройств, увеличения площади застройки, а также они увеличивают сжимающие усилия в колоннах. Более эффективны тяжи, которые крепятся к соседним устойчивым зданиям. Натяжение таких затяжек осуществляют механическим, электротермическим или комбинированным способом, а контроль эффективности усиления — по уменьшению смещений верхних узлов каркаса при горизонтальных нагрузках.

     Повышения жесткости продольных и поперечных рам возможно добиться установкой крестовых  диагональных жестких связей, а когда  это невозможно, — жестких распорок (ригелей) в сочетании с диагональными  раскосами.

     Эффективный способ увеличения прочности и жесткости металлических ригелей — подведение под них прокатных или сварных балок с приваркой под нагрузкой в нагретом состоянии. При ограниченных габаритах помещений усиливающую балку устанавливают сверху, вскрывают пол и приваривают ее к верхней полке усиливаемого ригеля в предварительно напряженном состоянии. Усиливающие балки в первом и во втором случаях заводят и жестко закрепляют в узлах рамы.

     Повышения несущей способности стропильных  балок и ригелей перекрытия возможно добиться устройством сплошного железобетонного настила, жестко связанного с верхним поясом балки. В этом случае жесткость ригеля существенно повышается, и его можно рассматривать как тавровую железобетонную балку с жесткой арматурой.

     Наиболее  часто требуют усиления сжатые стальные элементы. Традиционным способом их усиления является увеличение сечения приваркой полос, уголков и других элементов без предварительного напряжения. Однако такой способ усиления обладает существенным недостатком: элементы усиления поздно включаются в работу, приварка этих элементов вызывает в сжатых стойках дополнительные деформации, что снижает эффективность усиления. Поэтому традиционные способы усиления применяют, если временная нагрузка на стойки составляет не менее 40 % от постоянной и во время выполнения работ по усилению она отсутствует.

     Усиление  стальных стоек ненапряженными элементами осуществляют увеличением их сечения  и уменьшением их свободной длины, при этом следует стремиться к  максимальному увеличению радиусов инерции сечения (рис. 2). При выполнении усиления нагрузка на стойке не должна превышать 50...60 % расчетной. 
 

     При небольшой гибкости усиливаемого элемента необходимо уменьшать эксцентриситет от смещения, а при гибкости l>80 — увеличивать его устойчивость.

     Присоединение элементов усиления осуществляют в основном сваркой. Сварочный прогиб для элементов которые усиливаются под нагрузкой, является нагружающим фактором, поэтому сначала усиливаемый элемент приваривают точечной сваркой, а затем накладывают основной шов. При этом предпочтение следует отдавать шпоночным (прерывистым) швам, которые уменьшают деформации элементов, сокращают сроки сварочных работ и уменьшают массу наплавленного металла. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Усиление  балок

      Усиление  металлических балок осуществляют увеличением сечения, при этом необходимо выполнить их разгрузку не менее чем на 60 % или установить временные дополнительные опоры. При проектировании усиления необходимо придерживаться следующих технологических правил: объем сварки должен быть минимальным, сварные швы следует располагать в удобных доступных местах, необходимо избегать потолочной сварки, сначала надо усиливать нижний пояс, а затем верхний, что исключает прогиб балки в момент усиления.

      Наиболее  простой способ усиления — симметричными накладками (рис. 3), однако при этом возникает необходимость в большом объеме потолочной сварки. При большой ширине нижней накладки можно избежать потолочных швов, однако ширина ее не должна превышать 50d, в противном случае возникает значительная концентрация напряжений по кромкам балки.

      Проверку  прочности и устойчивости усиленной  балки производят как для цельного сечения, так как критические усилия не зависят от величины напряжений, существовавших до усиления.

      Для повышения местной устойчивости локальных участков стенки балки устанавливают на этих участках короткие ребра жесткости, окаймляя их продольными ребрами (рис. 4).

      Эффективным способом усиления сплошных балок являются натяжные устройства, которые обеспечивают стабильную величину предварительного напряжения, не зависящую от податливости анкеров и вытяжки затяжек. Такие способы позволяют регулировать усилие предварительного напряжения в нижнем поясе балки. Один из вариантов усиления представлен на рис. 5.

      Распорные элементы выполняют в виде секторов с гнездами, образующих с осью разрезные шарниры, расположенные между скошенными торцами распираемых балок, натяжное устройство требуемой массы располагают внутри колонны. Этот способ наиболее эффективен при усилении подкрановых балок, так как требует минимальных трудовых и материальных затрат. 
 

Усиление  колонн

Усиление  стоек путем уменьшения расчетной длины (а-в). Этот прием является весьма эффективным способом усиления сжатых стоек (колонн) большой и средней гибкости. Уменьшение расчетной длины может быть достигнуто за счет постановки дополнительных связей, распорок (схемы а, б), подкосов (схема в) или изменения условий закрепления концов стоек (превращением шарнирных баз в жесткие и т, д.). 

Усиление  стоек введением  затяжек и оттяжек (г—е). Рациональным приемом повышения устойчивости высоких отдельно стоящих стоек большой гибкости является введение предварительно напряженных оттяжек (схема г) или шпренгельных затяжек (схемы д, в) Выбором величины предварительного напряжения затяжек и оттяжек и их жесткости можно исключить податливость дополнительных опор, т. е. привести систему к жестко опертой и увеличить ее устойчивость в (l/l₁)² раз. Величина предварительного напряжения нормируется условиями прочности основных стоек 

Усиление  стоек преднапряженными телескопическими трубами (ж). Телескопические трубы представляют собой комплексную предварительно напряженную конструкцию типа «труба в трубе», в которой внутренняя труба сжата, а наружная растянута. Предварительное напряжение труб осуществляется механических или термическим способом. После установки телескопических труб и их плотной подгонки к оголовкам и базам существующих колонн наружную трубу разрезают, и усилие преднапряжения внутренней трубы передается в качестве «антигруза» на усиливаемую стойку. Затем место разреза наружной трубы заваривают, и она также включается в работу на добавочную нарузку после усиления.

Усиление  стоек предварительно напрягаемыми распорками (з). Распорки изготавливаются из швеллеров или уголков, связанных планками, и могут быть одно- или двухсторонними. Распорки устанавливают с перегибом в середине высоты (после разрезки полок элементов усиления) и опирают их концы на базы и оголовки колонн. Предварительное напряжение осуществляется стягиванием распорок с помощью монтажных болтов. После натяжения распорки приваривают к усиливаемому элементу прерывистыми или сплошными швами. Затем места разреза распорок заваривают или перекрывают накладками.  

Усиление  стоек обетонированием. Повышение несущей способности сжатых стоек может быть достигнуто путем их обетонирования и превращения в железобетонные конструкции с жесткой арматурой (с добавочным армированием или без него). Этот прием особенно эффективен при усилении дефектных или сильно корродированных стоек. 

Усиление стоек увеличением их сечения. Этот прием является основным способом повышения несущей способности колонн и осуществляется приваркой к ним дополнительных элементов из профильного или листового проката. В зависимости от условий нагружения и исходя из конструктивных соображений возможно использование симметричных или несимметричных схем наращивания сечений. Относительно плоскости действия моментов (плоскости z-y) усиление всегда следует проектировать симметричными.

Усиление  ферм

Усиление ферм изменением конструктивных схем (а-ж).Усиление ферм может осуществляться путем превращения их в статически неопределимое системы (или повышения степени статической неопределимости) за счет: 

- подведения  дополнительных опор (схема а)

- объединение  концов ферм смежных пролетов  и превращения их в многопролетные (схема б)

- введение подкосов (схема в) или подвесок (схема  г)

- надстройки  поддерживающих тросовых систем (схема д)

- установки поддерживающих  арочных конструкций (схема е)

- введения шпренгельных систем (схема ж)

Также возможна установка специальных распределительных устройств (схема о) 

Усиление  ферм  затяжками (з—к).  При устройстве затяжек расположенных вдоль нижнего пояса (схема з). достигается разгрука только нижних поясов ферм. Более выгодны затяжки ломаного очертания, .изменяющие усилия в большем количестве стержней (схема и). Весьма рационально применение затяжек в фермах арочного типа (схема к). Усиление затяжками особенно эффективно при их предварительном напряжении. 

Усиление  ферм включением в  работу фонарных конструкций (л). Такой способ усиления служит для разгрузки поясов ферм в середине пролета и может применяться при наличии светоаэрационных фонарей. Включение фонаря в совместную с фермой работу часто требует усилении фонарных конструкций. 

Усиление  решеток ферм введением дополнительных элементов (м). Этот прием служит дли разгрузки элементов и узлов решетки ферм и позволяет уменьшить в них усилия от нагрузок, прикладываемых после усиления. Дополнительные элементы можно устанавливать в напряженном состоянии и выполнять из гибких стержней. 

Усиление  ферм введением шпренгельных элементов решетки (н). Такой способ усиления не изменяет статических свойств конструкций и общего распределения усилий в них, но позволяет снизить моменты в поясах при их работе на местный изгиб (при внеузловой передаче нагрузки), уменьшить расчетные длину сжатия элементов (поясов, раскосов) и является эффективным приемом повышения их устойчивости в плоскости фермы. Прикрепление дополнительных элементов решетки осуществляется с помощью вновь вводимых фасонок к стержням и узлам существующей конструкции. Следует избегать расцентровки осей дополнительных элементов в узлах.

В тех случаях, когда материал существующей конструкции не позволяет использовать сварку, дополнительные фасонки к существующим элементам прикрепляются на болтах. В связи с ослаблением сечений, возникающим при использовании болтов, определяющей несущую способность может оказаться не устойчивость, а прочность усиливаемого стержня. Поэтому проектировать усиление следует с учетом минимального ослабления сечений и в случае необходимости — использовать высокопрочные болты. 

     Усиление  сжатых элементы ферм уменьшением их расчетной длины из плоскости ферм. Уменьшение расчетной длины отдельных элементов из плоскости ферм рационально в тех случаях, когда не обеспечена их устойчивость. В основной этот способ применяется для усиления отдельных (например, дефектных) панелей сжатык верхних поясов, когда возможна установка дополнительных элементов  в плоскости существующих  горизонтальных связей.

Уменьшение расчетной  длины возможно и для сжатых стоек_, находящихся в плоскости существующих вертикальных связей по фермам. Дополнительные связевые элементы и фасонки крепят на сварке 

     Усиление узловых соединений ферм В сварных фермах усиление узловых соединений выполняется следующими способами:

1. Увеличением длины существующих швов без введения дополнительных элементов
2. Увеличение толщины существующих швов их наплавлением
3. Введением дополнительных элементов в узлы
4. Увеличение длины швов за счет развития фасонок

Первый способ наиболее предпочтителен, однако его  применение,  возможно  только  в тх случаях,  когда   существующие швы не доведены до края фасонок и имеется место для наложения дополнительных фланговых швов. Наложение дополнительных лобовых швов, пересекающих сечение фасонок, допускается только после предварительной разгрузки конструкций. Остальные способы применяются при невозможности использования первого способа. При установки с целью усиления дополнительных элементов последние следует распологать так, чтобы избежать возникновение значительных эксцентриситетов. Наращивание фасонок является одним из самых надежных, но трудоемких приемов.

     Усиление  соединений

     При недостаточной прочности сварных швов их усиливают увеличением длины.

     Наращивание швов следует производить электродами Э42, Э42А или Э46Т диаметром не более 4 мм при силе тока не более 220 А со скоростью, при которой за один проход размер катета не превышает 8 мм. Для элементов из уголков новые швы следует накладывать, начиная со стороны обушка от края фасонки в направлении существующих швов. Сварку последующего шва производят только после охлаждения   предыдущего до 100 °С. При усилении швов напряжения в усиливаемом элементе не должны превышать 0,8 R_у, где R_у — расчетное сопротивление стали. Усиление должны производить высококвалифицированные сварщики не ниже 5-го разряда.

     Усиление  заклепочных соединений осуществляют высокопрочными болтами с предварительным  напряжением. Болты устанавливают от середины узла к краям с помощью тарировочных ключей для измерения крутящих моментов. Из-за ослабления старых заклепок при установке новых высокопрочных болтов последние должны быть рассчитаны на восприятие полной нагрузки

     Из-за различной жесткости сварных и болтовых соединений усиление последних при помощи сварки не рекомендуется. 
 
 

2. Расчет усиливаемых  металлических элементов 

           При усилении сжатых элементов увеличением их сечения (см. рис. 2) (без предварительного напряжения) расчет осуществляют по следующей схеме.

     1. Определяют начальный прогиб  усиливаемого стержня в плоскости  действия момента:

     где =М_н/ Р_н — случайный   начальный    эксцентриситет продольной силы относительно оси Х, принимаемый с соответствующим знаком (Р_а и М_н — расчетные значения начальной продольной силы и момента); — эйлерова сила для основного стержня - момент инерции; расчетная длина основного стержня).

           При усилении центрально сжатого элемента начальный эксцентриситет равен

     где — случайный начальный относительный эксцентриситет, определяемый по графику (рис. 6); и — момент сопротивления и ядровое расстояние для крайних волокон усиливаемого элемента.

     2. При заданной внешней нагрузке определяют возможность усиления основного стержня:

     где — характеристики усиливаемого элемента; ординаты наиболее удаленных волокон сечения относительно оси x^ос; т_с — коэффициент условий работы; — расчетное сопротивление материала основного стержня; k = 0,6 — коэффициент ограничения напряжений при усилении ненапряженными элементами с применением сварки.

     Для центрально сжатых элементов проверка производится в плоскости максимальной гибкости, для внецентренно сжатых — в плоскости действия момента. Если хотя бы одно из условий не выполняется, необходима разгрузка элемента.

     3. Определяют прогиб усиленного  элемента:

     при присоединении элементов   усиления к плоским  поверхностям

     при присоединении к  вогнутой и выпуклой поверхности

     где å J^ус —сумма моментов инерции элементов усиления относительно их собственных осей, параллельных оси х; J^ус — момент инерции усиленного стержня; N_э=п²ЕJ/1² — эйлерова сила усиленного стержня.

           4. Выполняют расчет прикрепления элементов усиления.

     Расчет  швов на сдвигающие усилия

     где Q_mах— максимальная поперечная сила; S_x^ус — статистический момент элемента усиления относительно оси х; а_ω — шаг шпоночного шва.

           Минимальная длина  прерывистых швов

     где a — коэффициент, учитывающий распределение усилий между швами элемента усиления;   — коэффициенты, определяемые по СНиП II-23—81 (п. 11.2); — расчетное сопротивление углового сварного шва.